Daniel Pauli

• Massive stars (Mini > 8 Msol) are the key feedback agents within galaxies, as they shape their surroundings via their powerful winds, ionizing radiation, and explosive supernovae. Most massive stars are born in binary systems, where interactions with their companions significantly alter their evolution and the feedback they deposit in their host galaxy. Understanding binary evolution, particularly in the low-metallicity environments as proxies for the Early Universe, is crucial for interpreting the rest-frame ultraviolet spectra observed in high-redshift galaxies by telescopes like Hubble and James Webb. This thesis aims to tackle this challenge by investigating in detail massive binaries within the low-metallicity environment of the Small Magellanic Cloud galaxy. From ultraviolet and multi-epoch optical spectroscopic data, we uncovered post-interaction binaries. To comprehensively characterize these binary systems, their stellar winds, and orbital parameters, we use a multifaceted approach. The Potsdam Wolf-Rayet stellar atmosphereMassive stars (Mini > 8 Msol) are the key feedback agents within galaxies, as they shape their surroundings via their powerful winds, ionizing radiation, and explosive supernovae. Most massive stars are born in binary systems, where interactions with their companions significantly alter their evolution and the feedback they deposit in their host galaxy. Understanding binary evolution, particularly in the low-metallicity environments as proxies for the Early Universe, is crucial for interpreting the rest-frame ultraviolet spectra observed in high-redshift galaxies by telescopes like Hubble and James Webb. This thesis aims to tackle this challenge by investigating in detail massive binaries within the low-metallicity environment of the Small Magellanic Cloud galaxy. From ultraviolet and multi-epoch optical spectroscopic data, we uncovered post-interaction binaries. To comprehensively characterize these binary systems, their stellar winds, and orbital parameters, we use a multifaceted approach. The Potsdam Wolf-Rayet stellar atmosphere code is employed to obtain the stellar and wind parameters of the stars. Additionally, we perform consistent light and radial velocity fitting with the Physics of Eclipsing Binaries software, allowing for the independent determination of orbital parameters and component masses. Finally, we utilize these results to challenge the standard picture of stellar evolution and improve our understanding of low-metallicity stellar populations by calculating our binary evolution models with the Modules for Experiments in Stellar Astrophysics code. We discovered the first four O-type post-interaction binaries in the SMC (Chapters 2, 5, and 6). Their primary stars have temperatures similar to other OB stars and reside far from the helium zero-age main sequence, challenging the traditional view of binary evolution. Our stellar evolution models suggest this may be due to enhanced mixing after core-hydrogen burning. Furthermore, we discovered the so-far most massive binary system undergoing mass transfer (Chapter 3), offering a unique opportunity to test mass-transfer efficiency in extreme conditions. Our binary evolution calculations revealed unexpected evolutionary pathways for accreting stars in binaries, potentially providing the missing link to understanding the observed Wolf-Rayet population within the SMC (Chapter 4). The results presented in this thesis unveiled the properties of massive binaries at low-metallicity which challenge the way the spectra of high-redshift galaxies are currently being analyzed as well as our understanding of massive-star feedback within galaxies.…
• Massereiche Sterne (Mini > 8 Msonne ) beeinflussen ihre Umgebung durch ihre starke Winde, ionisierende Strahlung und wenn sie als Supernova explodieren. Sie sind daher die Schlüsselfaktoren für die Rückkopplungsprozesse innerhalb von Galaxien. Die meisten massereichen Sterne entstehen in Doppelsternsystemen, in welchen sie mit ihren Begleitern interagieren können, was weitreichende Konsequenzen für ihre weitere Entwicklung und die Rückkopplung auf ihre Galaxie beeinflusst. Ein tiefgreifendes Verständnis der Entwicklung von Doppelsternen, insbesondere in metallarmen Umgebungen als Näherung für Sterne im frühe Universum, ist entscheidend für die richtige Interpretation der Spektren von Galaxies bei hohen Rotverschiebungen die von Weltraumteleskopen wie Hubble und James Webb beobachtet werden. Diese Dissertation widmet sich der Herausforderung für ein besseres Verständnis von Doppelsternsystemen, indem sie massereiche Doppelsterne in der metallarmen Umgebung der Galaxie „Kleinen Magellanischen Wolke“ detailliert untersucht. Anhand vonMassereiche Sterne (Mini > 8 Msonne ) beeinflussen ihre Umgebung durch ihre starke Winde, ionisierende Strahlung und wenn sie als Supernova explodieren. Sie sind daher die Schlüsselfaktoren für die Rückkopplungsprozesse innerhalb von Galaxien. Die meisten massereichen Sterne entstehen in Doppelsternsystemen, in welchen sie mit ihren Begleitern interagieren können, was weitreichende Konsequenzen für ihre weitere Entwicklung und die Rückkopplung auf ihre Galaxie beeinflusst. Ein tiefgreifendes Verständnis der Entwicklung von Doppelsternen, insbesondere in metallarmen Umgebungen als Näherung für Sterne im frühe Universum, ist entscheidend für die richtige Interpretation der Spektren von Galaxies bei hohen Rotverschiebungen die von Weltraumteleskopen wie Hubble und James Webb beobachtet werden. Diese Dissertation widmet sich der Herausforderung für ein besseres Verständnis von Doppelsternsystemen, indem sie massereiche Doppelsterne in der metallarmen Umgebung der Galaxie „Kleinen Magellanischen Wolke“ detailliert untersucht. Anhand von zahlreichen ultravioletten und optischen Spektroskopiedaten konnten Doppelsterne, die schon miteinander interagiert haben, entdeckt werden. Um diese Doppelsternsysteme, die Parameter der einzelnen Sterne und ihrer Sternwinde sowie die Bahnparameter zu erhalten und zu charakterisieren, verwenden wir einen mehrteiligen Ansatz. Als erstes, um die Parameter der Sterne und ihrer Winde zu gewinnen, wird der Potsdamer Wolf-Rayet-Sternatmosphärencode eingesetzt. Darüber hinaus führen wir mit der Software „Physics of Eclipsing Binaries“ eine konsistente Licht- und Radialgeschwindigkeitsanpassung durch, die eine unabhängige Bestimmung der Bahnparameter und Komponentenmassen ermöglicht. Abschließend werden diese Ergebnisse verwendet, um die traditionelle Sichtweise der Doppelstern-Entwicklung in Frage zu stellen und unser Verständnis von Sternpopulationen mit geringer Metallizität zu verbessern, indem wir Evolutionsmodelle von Doppelsternen mithilfe des Codes „Modules for Experiments in Stellar Astrophysics“ berechnen. In dieser Arbeit konnten erstmalig vier massereiche O-Typ-Doppelsterne nach einer Wechselwirkung innerhalb der Kleinen Magellanischen Wolke entdeckt werden (Kapitel 2, 5 und 6). Überraschenderweise sind die Temperaturen der Massegeber vergleichbar mit denen anderer OB-Sterne und daher kühler als zuvor erwartet. Dies stellt die traditionelle Sichtweise der Doppelstern-Entwicklung in Frage. Unsere Sternenentwicklungsmodelle deuten darauf hin, dass die beobachtete Diskrepanz gelöst werden kann wenn man eine stärkere Durchmischung nach dem Wasserstoffbrennen im Kern annimmt. Darüber hinaus haben wir das bisher massereichste Doppelsternsystem entdeckt, welches sich gerade in einem Massenaustausch befindet (Kapitel 3). Dieses System bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Effizienz des Massentransfers unter extremen Bedingungen zu testen. Des Weiteren haben unsere Berechnungen zur Doppelsternentwicklung unerwartete Entwicklungspfade für akkretierende Sterne in Doppelsternsystemen enthüllten, die möglicherweise das fehlende Bindeglied zum Verständnis der beobachteten Wolf-Rayet-Population in der Kleinen Magellanschen Wolke darstellen (Kapitel 4). Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse enthüllen die einzigartigen Eigenschaften von massereichen Doppelsternen in metallarmen Umgebungen, die sowohl die aktuelle Analyse der Spektren von Galaxien mit hoher Rotverschiebung als auch unser Verständnis der Rückkopplungsprozesse von massereichen Sternen in Galaxien in Frage stellen.…